Funktionsintegration im Leichtbau MW2 - elib.dlr.de · • Hybride Fertigung • Reparatur / Fügen...

Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik

Funktionsintegration im Leichtbau Aktuelle Forschungsprojekte im DLR

Prof. Dr.-Ing. Martin WiedemannInstitut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

DGLR-Vortrag, Berlin, 31. Januar 2011

2Institut für Faserverbundleichtbau und AdaptronikDGLR-Vortrag „Funktionsintegration im Leichtbau“, 31.01.11, Wiedemann

Institut für Faserverbundleichtbau und AdaptronikDirektor: Prof. Dr.-Ing. M. Wiedemann

Stellv. Direktor: Prof. Dr.-Ing. J. M. Sinapius

Wir sind die Experten für Entwurf und Realisierung innovativer Leichtbausysteme.Unsere Forschung dient der Verbesserung von Sicherheit Kosteneffizienz Funktionalität Umweltverträglichkeit

Wir schlagen die Brücke zwischen Grundlagenforschung und industrieller Anwendung

Hochleistungsleichtbauanpassungsfähig – effizient – tolerant

in

Energie Verkehr Luftfahrt Raumfahrt


Vom Werkstoff zum

intelligenten Materialsystem

MultifunktionswerkstoffeDr. P. Wierach

Mehr Funktion in den Werkstoff

StrukturmechanikDr. A. Kling

Mit uns können Sie rechnen!

Vom Phänomen über die

Modellbildung zur

Simulation

FunktionsleichtbauDr. C. Hühne

Unser Design für Ihre Struktur!

Von Anforderungen über Konzepte

zu multi-funktionalen Strukturen

Forschen im Industrie-Maßstab

FaserverbundtechnologieDr. M. Kleineberg

Maßgeschneiderte Fertigungskonzepte

AdaptronikDr. H.P. Monner

Die Adaptronik-Pioniere

VerbundprozesstechnologieDr. M. Meyer

Von der Idee bis zum Prototypen und darüber

hinaus

Von der Struktur zum

adaptiven System

Für den nachhaltigen

Gesamtprozess


MultifunktionswerkstoffeDr. P. Wierach

Mehr Funktion in den Werkstoff

• Faserverbundwerkstoffe• Nanocomposites• Smart Materials• Integrierte Bauteilüberwachung• Werkstoffcharakterisierung

Vom Werkstoff zum intelligenten

Materialsystem

StrukturmechanikDr. A. Kling

Mit uns können Sie rechnen!

• Methoden des Gesamtentwurfs• Stabilität• Schadenstoleranz • Strukturdynamik• Thermalanalyse• Multiskalenanalyse• Prozesssimulation

Vom Phänomen über die Modellbildung zur Simulation

FunktionsleichtbauDr. C. Hühne

Unser Design für Ihre Struktur!

• Entwurf, Konstruktion, Berechnung

• Bauweisen und Bewertung• Multifunktionale Strukturen• Formvariable

Strukturen• Hybride Strukturen

Von Anforderungen über Konzepte zu multi-funktionalen

Strukturen


FaserverbundtechnologieDr. M. Kleineberg

Maßgeschneiderte Fertigungskonzepte

• Neue Fertigungs-Verfahren

• Hybride Fertigung• Reparatur / Fügen• Prozessautomatisierung

AdaptronikDr. H.P. Monner

Die Adaptronik-Pioniere

• Simulation des adaptiven Gesamtsystems

• Aktive Vibrationsunterdrückung• Aktive Lärmreduktion• Aktive Gestaltkontrolle

Von der Idee bis zum Prototypen und

darüber hinaus

Von der Struktur zum adaptiven

System

Forschen im Industriemaßstab

VerbundprozesstechnologieDr. M. Meyer

• Automatisiertes FP und TL• Online QS im Autoklaven• automatisierte Bauteilherstel-

lung in großen Stückzahlen • Simulationsmethoden für

maximale Zuverlässigkeit und Bewertung der Prozesse

Für den nachhaltigen

Gesamtprozess


ProduktorientierteForschung

Forschungsgebiete

GrundlagenorientierteForschung

Leichtbau

Sicherheit

Funktionalität

Kosten

Komfort

Umwelt-verträglichkeit

Zukunftsforschung Anwendungsforschung

Luftfahrt Weltraum Verkehr EnergieMulti-funktions-werkstoffe

Struktur-mechanik

Funktions-leichtbau

Faserverbund-technologie Adaptronik

Verbund-prozess-

technologie


Leichtbau

Sicherheit

Funktionalität

Kosten

Komfort


Zukunftsforschung, unsere Visionen

Von Nano über Mikro zu Makro

Robuste Gesamtstrukur

Lernende CFK-Prozessierung

Autark agierende Faserverbundstrukturen

Nachhaltige Produktionsprozesse

Strukturkonforme Funktionsverdichtung


Leichtbau

Sicherheit

Funktionalität

Kosten

Komfort


Zukunftsforschung, unsere Visionen

Von Nano über Mikro zu Makro

• CNT-Aktuatorik• Wirkung mikroskaliger Defekte

aus der CFK-Prozessierung• Funktionsintegration durch

Nanopartikel• Very High Life Cycle Fatigue

Robuste Gesamtstrukur

• InterdisziplinäreEntwurfsmethoden

• Robuste, selbstüberwachendeCFK-Reparatur

• Strukturanalyse zukünftigerBauweisen

Lernende CFK-Prozessierung

• Virtuelle Prozess- und Prozesskettenoptimierung

• Simulationsgestützte Online-Qualitätssicherung

• Flexible Formwerkzeuge • Selbstorganisierender

Prozessablauf

Autark agierende Faserverbundstrukturen

• Aktive Strömungskontrolle und Flexible Hochauftriebsstruk-turen für Laminarflügel

• Autonome Bauteilüberwachung• De-Icing bzw. Anti-Icing

Nachhaltige Produktionsprozesse

• Fiber Placement mit kooperierenen Ablagesystemen

• Qualitätsgesicherte Autoklav-Steuerung

• Automatisierte RTM-Prozesse


• Funktionsverdichtende Werkstoffe und Bauweisen

• Funktionalisierte Interieur-werkstoffe und Bauweisen

• Formvariable Strukturen, schalt-bare Materialeigenschaften


• Rumpfbauweisen• Große Rumpfausschnitte• Fertigungstechnologien

SchwerpunktRumpftechnologien

T. Ströhlein

SchwerpunktHochauftriebDr. O. Heintze

SchwerpunktSpezialstrukturen

M. Hanke

SchwerpunktWeltraum

N.N.

SchwerpunktVerkehrJ. Nickel

• Flexible Flügelvorderkante• Aktive Strömungskontrolle an

Hochauftriebssystemen

• Strukturintegrierte Antennen• Stealth-Strukturen• Radombauweisen

• Landerstrukturen• Entfaltbare Raumfahrtstrukturen• Oberstufe

• Next Generation Train• Neue Fahrzeugstrukturen

Leichtbau

Sicherheit

Funktionalität

Kosten

Komfort


Anwendungsforschung, unsere Schwerpunkte


Funktionsintegration im LeichtbauAktuelle Forschungsprojekte im DLR

Autark agierende Faser-verbundstrukturen


Formvariabler FaserverbundStrukurkonformität als DesignaufgabeStrukturintegrierte AktorikStrukturintegrierte SensorenStrukturintegrierte BeleuchtungEntfaltbare Strukturen


Konzeptentwurf

Materialien & Tests

Strukturmechanik

Detail-DesignFertigung

Smarte Struktur

Formvariable Faserverbundstrukturen am Beispiel der Entstehung einer flexiblen Flügelvorderkante


Verifikation

Main lever of the actuation mechanism

Drive shaft and bearing at front spar

Interface elements

Omega shaped stiffeners

Hinged Struts

Fiber reinforced skin

Front Spar

0 100 200 300 400 500 600-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

x-axis in mm

z-a

xis

in m

m

FE undeformedFE deformedMeasured deformed


Funktionsintegration in Komposite

Sensors & Signal processing

Control & control hardware

Actuators & Power electronics

Sensor signal

Structure

Actuator

ExcitationF(t)

Responsex(t) Sensor

Actuator signal

Control

No vibrationNo noise

MaterialDeveloment of smart actuator and

smart sensor materials

ElementMultifunctional structure elements

with integrated actuatorsand with integrated sensors

StructureAdaptive with

Enhanced CapabilitiesIntegrated Signal processing

SystemFull

Integration

Acousticcontrol

Vibrationcontrol

Morphing


Funktionsintegration in KompositeDie Integration von zusätzlichen Funktionen in Komposite erfordert die Optimierung von meist gegensätzlichen Anforderungen, z.B.:

Maximale Aktuierung, maximaler Hub

Maximale Lasttragfähigkeit

Maximale Festigkeit, maximale Steifigkeit

Der Auslegungsprozess muss diese Anforderungen erfüllen, erläutert an einem einfachen Modell für strukturintegrierte Aktuatorik:

( )33 33 3ES s T d E

033 3

0

0 0 33 3

( )0 33

30

A E

uS d El

u l d EAc

l sUEl


Lastabhängige Auslenkung


Maximale Arbeitsfähigkeit

KraftPb2

u0,1

Hubu0,2

Pb1

cF A/c >1

WA

cF A/c =1


Strukturkonformität

20max, 2

141 ucW AA

0uucF

2/0u

Für =1 ist maximale Strukturkonformität realisiert. Strukturkonformität ist ein Maß für optimale Funktionsintegration.

BP2/BP


PiezokompositeRobuste Aktuatoren und Sensorend33-Komposite mit geringer BetriebspannungKommerzialisierung durch PI-CeramicIntegration von Mikrosystemen

Kontaktierung

Leitendes Mesh/Vlies

PZT-Folie

Polyester Vlies mit Epoxy


Herausforderung:

Höherharmonische Verwindung (+/-2°) eines Hubschrauberrotorblattes zur Reduktion von Lärm und Vibrationen und zur Leistungssteigerung

Lösung:Integration von gerichtet wirkenden Flächenaktuatoren in eine anisotrope Rotorblatthaut (Zug-Torsionskopplung)Entwicklung/Bau eines Modellrotorblattes zur Verifikation der Ergebnisse im Schleudertest und im Windkanal

Reduktion derLärmentwicklung

Verminderung der Überschalleffekte

Verminderungder AblösungseffekteVerminderung

der Ablösungseffekte

Reduktion derLärmentwicklung

Verminderung der Überschalleffekte

Strukturintegrierte Aktuatorik:Aktiv verwindbares Rotorblatt


Nutzung der anisotropen Verbundeigenschaften

Verformung () hängt vom Lagen-aufbau des Verbundes, und damit von den richtungsabhängigen Material-eigenschaften der Einzelschichten ab.

a

a

P PN M M

i i i

ai i jk ,i i i

a

f ,Y , I ,T ;

f ,Y ,k ,E I ;

k ET I

NPM

Orthotropierichtung Y WerkstoffelastizitätKopplungskoeffizient EnergieeintragTemperatur Trägheitsmomente

äußere LastenKräfte des aktivierten Materials

Strukturnachgiebigkeit


Design des aktiven Rotorblattes (AT2)

Referenz: BO-105 RotorSpezielle Aktuatorgeometrie (40°)Aktivierung der 6 Segmenteindividuell möglichSensoren in die Haut integriertAktuatorfläche: 1600 cm²Zug-Torsionskopplung

1515


Schleudertest des aktiv verwindbaren Rotorblattes


Experimentelle Ergebnisse

Ergebnisse der SchleuderversucheHöher harmonische Blattspitzenverwindung unter Zentrifugallasten(Reduzierte Aktuatorspannung, n=1043 rpm)

0123456789

0.15H

z

1/rev

2/rev

3/rev

4/rev

5/rev

6/rev

tip tw

ist a

ngle

p-p

[°]

Upp=2000V (extrapolated)

Upp=1200V (measurement)


Verteilung des Torsionsmomentes

0123456789

0.15H

z

1/rev

2/rev

3/rev

4/rev

5/rev

6/rev

tip tw

ist a

ngle

p-p

[°]

Upp=2000V (extrapolated)

Upp=1200V (measurement)


Strukturintegrierte BeleuchtungBeleuchtung mit integrierter Elektrolumineszenzfolie

Lasttragende StrukturBeleuchtung mit einer A4 großen EL-FolieWandstärke ca. 2mm, weniger ist möglichEL-Folie vollständig eingebettet

z.B. Korrosion, Schwingungen, (Brand)Lichtleistung: Bei Tageslicht ist kein Leuchten erkennbarEL-Folie durch Glasfasergewebe auf der Front geschützt, diese Lage ist auf der Struktur nicht zu erkennenAnschlüsse auf der Rückseite für die Stromversorgung und die Ansteuerung


Strukturintegrierte BeleuchtungBeleuchtung mit integrierten LED‘s

Lasttragende StrukturBeleuchtung mit 120 weißen LEDsWandstärke ca. 4mm, weniger ist möglichLED‘s sind vollständig geschützt,

z.B. Korrosion, Schwingungen, (Brand)

Lichtleistung ca. 380W/m2 (Abhängig von der Anzahl)

Rote und weiße LEDs wurden realisiert, Kombinationen möglichLEDs durch Glasfasergewebe auf der Front geschützt, diese Lage ist auf der Struktur nicht zu erkennenAnschlüsse auf der Rückseite für die Stromversorgung und die Ansteuerung


Strukturintegrierte Enteisung

Elektrische Enteisung eine FlügelvorderkanteElektrische Widerstandsheizung über direkte Kontaktierung von CFK-LagenHeizende CFK-Lagen sind strukturelltragendTemperaturen > 200°C möglichEnergiebedarf sind ca. 3 kWDe-Icing Versuche bei Raumtemperatur durchgeführt

Netz

Netzteil

Heizleistung 5,25: z.B. kw/m²bei 1,75 A/cm und 30 V/m SpeisespannungOberflächentemp. ca. 130°C

Folien Pt100 Grundstrukturz.B. Flügelnase

Isolierschicht

HeizgewebeR=0,17 [ /sqr]

Durchgangs-isolierung

KupferelektrodeT-Regler


Strukturintegrierte Enteisung

Flüssigkeitsenteisung eine FlügelvorderkanteEntwicklung eines auf heißen Medien basierenden TemperiersystemDe- und Antiicingsysteme integraler FVK-FlugzeugstrukturenHohe Heizraten möglichRobustes Konzept


Strukturintegrierte Antennen

Integration von Antennen in FVK-StrukturenZiele

Erschließung zusätzlicher Oberflächen für die Integration von AntennenErfüllung von RadarsignaturanforderungenLastragende Struktur, Reduzierung des Zusatzgewichtes gegenüber Antennensystemen

DemonstratorenAESA Data-Link SIASATCOM-SIAFlugtest mit Data-Link SIA


Strukturintegrierte Leiterbahnen

Integration von Flexleitern in die StrukturLeistungsversorgung für Beleuchtung,Sensoren, Enteisung etc.Informationsübertragung über integrierteFlexleiterUntersuchung geeigneter Flexleiter-materialien

ÄtzprozessFolie

mit CU-SchichtFolie

mit Leiterbahn

SMD-LED

Flexleiterfolie

Selbstgeätzte Leiterbahnen


Strukturintegrierte Bauteilüberwachung

Zunehmende Verbreitung von Faserverbundwerkstoffen und die aus dem Betrieb zu erwartenden spezifischen Bauteilschäden sowie Forderungen nach

bedarfsgerechten WartungsintervallenKosteneffizienz durch zeitlich optimierten Betrieberhöhter Betriebssicherheit

führen zu dem Wunsch nachintegrierter Bauteilüberwachung

Generierung von Lambwellen mit Hilfe strukturintegrierter piezoelektrischer Aktuatoren Analyse der Wellenausbreitung


80 kHz 210 kHz 410 kHz 560 kHz

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

0 100 200 300 400 500 600

c [m

/s]

Frequenz in kHz

Pha

seng

esch

win

digk

eit

in m

/s

S0 - Dispersion

A0 - Dispersion

Symmetrischer Mode S0

Antisymmetrischer Mode A0

CFK-Platte,Gewebe,DP-RTM -Fertigung

Lambwellenmoden in Faserverbunden

Quelle: Prof. G. Mook, OvgU Magdeburg

2Dc ε ε p


Strukturintegrierte Bauteilüberwachung

Integrierte oder applizierte Aktuatorik zur WellenanregungIntegerierte Sensoren zur Detektion der Wellenbeugung oder –reflektionRekonstruktion des Schadensortes und der Schadensgröße möglich?Aussage über Resttragfähigkeit


Monomodaler Lamb-Wellenaktuator

Anordnung von fünf piezokeramischen Platten (70 x 8 x 0,2 mm) zu einem Array Abstand der Piezokeramiken entspricht der halben WellenlängeAbstimmung des Aktuators auf den A0-Mode bei ca. 45 kHzAufbau und Herstellung des Aktuator als PiezokompositEinzelne Aktuatorfelder parallel geschaltet

Piezokeramik

Kontaktierung

Kupfervlies

Einbettung

AktuatorSensor (Oberseite)

Sensor (Unterseite)

+-Aluminium

++ -

λ


Monomodaler Lamb-Wellenaktuator

Anregung mit fünf Aktuatorfeldern

Anregung mit einem AktuatorfeldAktuator

Sensor (Oberseite)

Sensor (Unterseite)

+Aluminium

AktuatorSensor (Oberseite)

Sensor (Unterseite)

+Aluminium

++ - -

f = 43,5 kHz

f = 43,5 kHz

Sensor (Oberseite)

Sensor (Unterseite)

S0-Mode

A0-Mode

Sensor (Oberseite)

Sensor (Unterseite)A0-Mode


Signifikante Kennzeichen des DLR-KonzeptesAusgehärtetes Carbon Composite MaterialExzellente thermale Stabilität (CTE fast null)

Kritische AspekteKeine erfolgreichen On-orbit Versuche bis heute

Deployable CFRP Boom with Control System – DLR

1g :

0g :

Simulierte EntfaltungDeployment Mechanism – DLR

Strukturintegrierte EntfaltungsmechanismenEntfaltbare Masten

Skizze des Mast Querschnitts


GrundmodulAufrollbarer CFK Mast - Kontrollkonzept

Entfaltungsvorgang muss kontrolliert werdenAktuelle Kontrollkonzepte:

Klettstreifen zum Unterbinden der Selbstentfaltung Druckschlauch zum kontrollierten ausblasenElektrisch getriebener Abrollmechanismus

Mast mit Entfaltungskontrollsystem aus Klett und Druckschlauch

Folienschlauch

CFK Mast

Klett Streifen

Mast in elektrischer Abspulvorrichtung


Anwendungen am Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik

Sonnensegel als alternatives, treibstoffloses Antriebskonzept (DLR Projekt)

Beschleunigung und Abbremsen mittels Strahlungsdruck der SonneTragstruktur besteht aus aufrollbaren Masten

Entfaltbare Membranantennen (ESA/DLR Projekt)Nutzung für weltraumgestützte Beobachtung von Planeten per RADARStrukturgewicht von unter 60 kg bei entfalteten Dimensionen von 18 m x 4.3 m

20 m x 20 m Sonnensegel

1:3 Modell einer 18 m x 4,3 m großen Antenne (links: entfaltet, rechts: aufgerollt für den Start)


Konzeptentwurf

Materialien & Tests

Strukturmechanik

Detail-DesignFertigung

Smarte Struktur

Formvariable Faserverbundstrukturen am Beispiel der Entstehung einer flexiblen Flügelvorderkante


Verifikation

Main lever of the actuation mechanism

Drive shaft and bearing at front spar

Interface elements

Omega shaped stiffeners

Hinged Struts

Fiber reinforced skin

Front Spar

0 100 200 300 400 500 600-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

x-axis in mm

z-a

xis

in m

m

FE undeformedFE deformedMeasured deformed


Zusammenfassung

Faserverbundtechnologie bietet die Möglichkeit strukturkonformer FunktionsintegrationFunktionsintegration erzeugt einen Mehrwert für LeichtbaustrukturenÜber die durchgängige Prozesskette von Multifunktionsstoffen bis zur Verbundprozesstechnologie wird die Funktionsintegration in industrielle Anwendungen erprobt und abgesichert


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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